Hurtigt vs langsomt vand - forklarer overgangen fra skrøbelig til stærk

Et japansk forskerhold ledet af The University of Tokyo undersøgte vandets skrøbelige til stærke overgang. I modsætning til de fleste væsker, når vandet afkøles, stigningshastigheden for dens viskositet når et maksimum ved en bestemt lav temperatur. Teamet viste, at modellering af vand som en temperaturafhængig blanding af to tilstande-uordnet hurtigt vand og lokalt bestilt langsomt vand-forklarede den skrøbelige til stærke overgang og undgik de defekte forudsigelser af tidligere teorier baseret på glasagtig opførsel.

Vand er mærkeligt på mange måder. Nogle af dens kemiske særheder er velkendte, såsom at udvide sig, når det fryser til is. En mindre kendt nysgerrighed, som den deler med blot et par andre væsker, er den skrøbelige-til-stærke overgang. Forklarer denne adfærd, som relaterer til hvordan koldt vand strømmer, har længe været en kilde til debat. Nu, en overbevisende forklaring er blevet fremsat af forskere i Tokyo.

Når væsker afkøles, deres dynamik bremses, og de bliver tyktflydende. For de fleste væsker, hastighedshastigheden er konstant som funktion af temperaturen, og disse er kendt som stærke væsker. For skrøbelige væsker, imidlertid, hastigheden stiger konstant, når temperaturen falder. Vand er usædvanligt i denne henseende - det er skrøbeligt ved stuetemperatur, men stærk ved lave temperaturer, hvor dens hastighed for stigende viskositet rammer en top.

Denne skrøbelige-til-stærke overgang er uhåndgribelig, forekommer kun i det afkølede regime, under vands sædvanlige frysepunkt. Tidlige modeller forsøgte at knytte det til glasagtig dynamik, da underafkølet vand er kendt for at være en glasdanner. Imidlertid, et team ledet af University of Tokyos Institute of Industrial Science (IIS) foreslår en tostatsteori, i realiteten modellerer vand som en blanding af to sameksisterende væsker.

Matematisk, den stærke/skøre skelnen hviler på Arrhenius-loven for dynamiske processer - stærke væsker adlyder denne lov, men for skrøbelige, den hurtige stigning i viskositeten er super-Arrhenius. Som rapporteret i journalen PNAS , IIS-teamet ændrede dette synspunkt ved at betragte vand for at bestå af to stater, kaldet "hurtig" og "langsom, "som er strukturelt forskellige men begge adlyder Arrhenius-dynamikken.

"Vi simulerede vand ved molekylær dynamik og ledte efter strukturelle mønstre, "forklarer studieforfatter Rui Shi." H2O-molekyler samles altid i tetraeder, men vi så, at nogle af disse lokale strukturer var stærkt beordrede, andre mindre." De uordnede tilstande svarer til hurtigt vand, og dominerer ved høj temperatur, mens den velordnede langsomme tilstand tager over, når prøven afkøles.

Afgørende, ligningerne afledt af tostatsmodellen forudsiger med succes den skrøbelige til stærke crossover. Dette sker langt over glasovergangspunktet - glasagtig opførsel ser ud til at være en rød sild, hvad dette problem angår. Det faktum, at hurtigt vand har Arrhenius, snarere end magtlovgivning, Dynamics løser også fejlagtige forudsigelser baseret på tidligere forsøg på at forbinde vands skrøbelighed med visse aspekter af dets fasediagram.

"Skørt vand kan være en illusion. Den tilsyneladende overgang er en artefakt af den temperaturafhængige balance mellem to stærke flydende tilstande, " siger hovedforfatter Hajime Tanaka. "Tilstedeværelsen af ​​to stater afspejler vands tendens til at danne lokale strukturer, hvilket er nemmere ved lav temperatur. Faktisk, andre væsker med en skrøbelig-til-stærk overgang, som silica, også vise lokal bestilling. Vi foreslår, at dette, frem for nogen glasagtig opførsel, er det, der adskiller dem fra ægte skrøbelige væsker. "